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【蔻享天文】51歲開始做研究，64歲舉世聞名：她用“鷹眼”發(fā)現(xiàn)“漂浮”的星星

 公司總裁 2021-09-07
（溫馨提示：本文4748個(gè)字，閱讀完需要約8分鐘）
2021年8月13日，卡洛琳·蘇梅克 (Carolyn Jean Spellmann Shoemaker) 逝世，享年92歲。

也許很多人對(duì)她并不熟悉，但只要提到著名的“蘇梅克-列維9號(hào)彗星”或“彗木相撞”，知道的人就多得多了。這顆彗星在1994年撞擊木星。而卡洛琳·蘇梅克就是這顆彗星的三位發(fā)現(xiàn)者之一。另外兩位共同發(fā)現(xiàn)者是尤金·蘇梅克 (Eugene Shoemaker) 和大衛(wèi)·列維 (David Levy) 。

卡洛琳·蘇梅克去世前還保持著一項(xiàng)傲人的成就：世界上發(fā)現(xiàn)最多彗星的在世者。她一生共發(fā)現(xiàn)32顆彗星與500多顆小行星[1]。在人類歷史上，卡洛琳·蘇梅克發(fā)現(xiàn)的彗星的數(shù)目僅次于龐斯 (Jean-Louis Pons, 1761-1831) ，后者發(fā)現(xiàn)了37顆彗星[2]。

與那些從小熱愛并學(xué)習(xí)科學(xué)的科學(xué)家不同，卡洛琳·蘇梅克從小對(duì)自然科學(xué)毫無興趣，本科與碩士學(xué)的是歷史、政治學(xué)與英語文學(xué)，婚后當(dāng)了二十多年家庭主婦，直到51歲才開始學(xué)習(xí)天文。

但她卻在64歲那年一戰(zhàn)成名，她是如何做到這一點(diǎn)的？

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從文科女生到家庭主婦

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卡洛琳的父親里昂納德·斯佩爾曼 (Leonard Spellmann) 是新墨西哥州蓋洛普一家服裝店的老板，母親哈澤爾·亞瑟·斯佩爾曼 (Hazel Arthur Spellmann) 是一位教師。二人結(jié)婚后，先生了一個(gè)男孩——理查德 ·斯佩爾曼 (Richard Spellmann) ，然后于1929年6月24日生下了卡洛琳[1]。
 
卡洛琳出生不久后，父母帶著她與哥哥一起搬到加州的奇科 (Chico) 。長大后，卡洛琳進(jìn)入奇科州立學(xué)院 (Chico State College) ，即加州州立大學(xué)奇科校區(qū)。在這里，卡洛琳先后獲得歷史與政治學(xué)的學(xué)士與碩士學(xué)位。有一種說法是她學(xué)習(xí)的專業(yè)中有英語文學(xué)，這可能是張冠李戴：她未來的合作者列維讀的是英語文學(xué)學(xué)位[3]。

沒有人會(huì)預(yù)料到她將來會(huì)與自然科學(xué)有任何交集：她父母不是科學(xué)家；她自己從小對(duì)科學(xué)也沒有任何興趣；她自己在大學(xué)唯一選修過的一門自然科學(xué)的課程是地質(zhì)學(xué)，這門課還讓她深感乏味。

但戲劇性的是，卡洛琳很快遇到一個(gè)學(xué)地質(zhì)的男子。1950年，理查德結(jié)婚。理查德曾經(jīng)的室友尤金·蘇梅克 (Eugene Merle Shoemaker) 趕來當(dāng)理查德的伴郎。尤金于1928年出生于加州的洛杉磯，16歲時(shí)就進(jìn)入加州理工學(xué)院讀本科。尤金的專業(yè)為地質(zhì)學(xué)。完成學(xué)位論文后，19歲的尤金前往普林斯頓大學(xué)攻讀博士學(xué)位[4]。

22歲的尤金與21歲卡洛琳在理查德的婚禮上首次相遇。在母親與哥哥的鼓勵(lì)下，卡洛琳與尤金開始交往。經(jīng)過一年的書信交往與兩個(gè)星期的度假之后，卡洛琳與尤金確立了戀人關(guān)系[1, 5]。

1951年8月18日，二人步入婚姻的殿堂，當(dāng)時(shí)卡洛琳22歲。卡洛琳此后在自己的姓后面加了夫姓，成為卡洛琳·蘇梅克 (Carolyn Jean Spellmann Shoemaker) 。尤金不僅科研做得好，還擅長給人做科普。他讓卡洛琳對(duì)地質(zhì)學(xué)有了強(qiáng)烈的興趣。但此時(shí)距離卡洛琳走向自然科學(xué)，還有很長的一段路。

根據(jù)年齡推算，卡洛琳應(yīng)該是在結(jié)婚后獲得碩士學(xué)位的。在研究生畢業(yè)后不久，卡洛琳也曾到一所中學(xué)教書，但發(fā)覺這個(gè)工作并不讓她滿意，因此很快辭職。卡洛琳辭職的另一原因是：卡洛琳更傾向于在家?guī)Ш⒆?。他們婚后共生下兩個(gè)女兒與一個(gè)兒子：克里斯蒂 (Christy) 、琳達(dá) (Linda) 與帕特 (Pat) [5]。因?yàn)橛冉痤l繁出差，在家?guī)Ш⒆拥娜蝿?wù)自然都落在了卡洛琳的身上。

在婚后，二人多次搬家，最后在亞利桑那州的旗桿 (Flagstaff) 鎮(zhèn)定居。著名的洛威爾天文臺(tái)正位于這里。尤金在這里建立了美國地質(zhì)勘查局 (USGS) 的天體地質(zhì)中心 (Center for Astrogeology) 。天體地質(zhì)學(xué)是一門交叉學(xué)科，使用地質(zhì)學(xué)方法研究天體性質(zhì)。

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圖：洛威爾天文臺(tái)的Clark圓頂。來源：[6]

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發(fā)現(xiàn)“漂浮”的星星

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在家庭主婦這個(gè)崗位上，卡洛琳?qǐng)?jiān)守了20多年。1960年代后期，三個(gè)孩子都依次長大并外出求學(xué)或就業(yè)，卡洛琳開始深受“空巢綜合征”的困擾[1]?？辶諞Q定找點(diǎn)有意義的事情做，以消除這種折磨。

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圖：卡洛琳·蘇梅克。來源：[1]

1969年，尤金回到加州理工學(xué)院任教授，然后他與伊利諾·赫林 (Eleanor Helin) 于同年在加州理工學(xué)院管理的帕洛瑪天文臺(tái)啟動(dòng)一個(gè)新項(xiàng)目[5]，這個(gè)項(xiàng)目使用口徑為0.46米的廣角（大視場）施密特望遠(yuǎn)鏡拍攝接近地球的小行星（近地小行星），以確定它們撞擊地球的概率。這個(gè)項(xiàng)目于1973年首次成功啟動(dòng)，并在此后大大提升了人們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域的認(rèn)知。尤金也因此成為“近地小天體研究之父”[4]。

1980年，卡洛琳進(jìn)入尤金在帕洛瑪天文臺(tái)的小組，作為天文觀測(cè)助手，參與搜尋近地小行星。雖然卡洛琳并沒有這方面的任何教育經(jīng)歷與學(xué)位，但開明的加州理工學(xué)院沒有阻撓她[1]。

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圖：帕洛瑪天文臺(tái)。來源：[7]

由于此前卡洛琳在天文學(xué)上并無基礎(chǔ)，因此她必須從頭學(xué)起。在亞利桑那州的洛威爾天文臺(tái)，舍爾特·約翰·巴士 (Schelte John Bus) 負(fù)責(zé)教卡洛琳基本的天文觀測(cè)技巧[5]。舍爾特·約翰·巴士也被昵稱為“波比·巴士” (Bobby Bus) ，出生于1956年，1979年畢業(yè)于加州理工學(xué)院，然后到洛威爾天文臺(tái)工作，其專業(yè)為搜尋小行星[8]。

卡洛琳在波比·巴士的指導(dǎo)下，很快展現(xiàn)出自己在天文方面的巨大潛力。當(dāng)時(shí)的天文觀測(cè)已經(jīng)開始普遍采用照相技術(shù)?？辶盏墓ぷ鞯囊粋€(gè)流程是：使用帕洛瑪天文臺(tái)的0.46米口徑的望遠(yuǎn)鏡，逐塊拍攝目標(biāo)天區(qū)，每次拍攝都曝光一定時(shí)間。每塊天區(qū)必須被拍攝兩次，相隔45分鐘或1小時(shí)[5]。

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圖：卡洛琳·蘇梅克（1986年）。來源：[5]

卡洛琳與尤金每個(gè)月有7個(gè)夜晚在帕洛瑪天文臺(tái)觀測(cè)[9]，此外的時(shí)間經(jīng)常要一起開車到亞利桑那州與內(nèi)華達(dá)州的沙漠，考察隕石坑或識(shí)別圖像中的小行星與彗星等事務(wù)。每年他們還要去澳大利亞一次，考察那里的隕石坑[4]。
 
從1980年開始，卡洛琳就開始與尤金在亞利桑那州、內(nèi)華達(dá)州與加州的帕洛瑪天文臺(tái)來回跑。在使用望遠(yuǎn)鏡期間，他們每天上午服用鎮(zhèn)靜劑，讓自己白天睡覺，晚上工作[9]。回到亞利桑那州時(shí)，再把生物鐘倒回到正常狀態(tài)。

在得到照片后，卡洛琳會(huì)在帕洛瑪天文臺(tái)的暗房，或旗桿鎮(zhèn)的USGS辦公樓的一處由窗簾遮住的黑暗角落里，用尤金與合作者設(shè)計(jì)的立體鏡，讓自己的兩只眼睛同時(shí)看兩張圖像[9]。如果在拍攝兩張照片的那45分鐘間隔中，有一顆小行星或彗星進(jìn)入照片拍攝的區(qū)域，兩張圖就會(huì)產(chǎn)生差異。通過立體鏡觀看兩張有輕微差異的照片，闖入圖像的小行星或彗星的圖像點(diǎn)就像漂浮在背景恒星的圖像點(diǎn)的上方[5, 9]。

理論上雖然如此，實(shí)際上要想在立體鏡合成的“三維”圖上辨別出漂浮的小行星與彗星，卻是一件很不容易的事，這對(duì)觀測(cè)者的三維視覺能力有非常高的要求。而卡洛琳恰恰擁有非常出色的三維視覺能力。

此外，很多時(shí)候，膠片自身的瑕疵、感光乳劑里的灰塵、人造衛(wèi)星，都會(huì)與漂浮的小行星或彗星的圖像點(diǎn)混雜，需要觀測(cè)者一一辨別并排除[9]。由于無數(shù)的恒星、底片的瑕疵與灰塵的干擾，這樣的辨別過程如同大海撈針。但卡洛琳效率驚人，只需要20分鐘就可以掃描完1對(duì)照片。尤金因此稱卡洛琳為“老鷹眼” (Old Eagle-Eye) 。不過，任務(wù)依然很繁重，一個(gè)晴朗的冬天夜晚，可以拍出大約60張圖片，組成30對(duì)，需要耗費(fèi)10個(gè)小時(shí)的掃描時(shí)間[9]。

卡洛琳在后來回憶說：“在加州的帕洛瑪天文臺(tái)觀測(cè)時(shí)，我對(duì)夜空的真愛與日俱增，且在此后從未消失?！?sup>[5]在回憶自己每發(fā)現(xiàn)每一顆新的彗星時(shí)，她說：“我想跳舞?！?sup>[5]

超凡的三維視覺天賦、超凡的耐心與超凡的勤奮，使卡洛琳迅速在這個(gè)領(lǐng)域獲得成果。

1983年，卡洛琳首次發(fā)現(xiàn)彗星，它被命名為“蘇梅克1983p” (Shoemaker 1983p) ，此后她曾經(jīng)在一年時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)8顆彗星[9]。

隨著發(fā)現(xiàn)的小行星與彗星越來越多，卡洛琳聲望迅速上升。1988年，卡洛琳與尤金共同獲得了Rittenhouse獎(jiǎng)；1989年，北亞利桑那大學(xué)聘請(qǐng)卡洛琳為天文研究員 (research professor) [1]。

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一戰(zhàn)成名：撞擊木星的彗星

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到1993年初，卡洛琳發(fā)現(xiàn)了31顆彗星，尤金發(fā)現(xiàn)了28顆彗星，其中大部分是二者共同發(fā)現(xiàn)的。此時(shí)的卡洛琳已經(jīng)在自己所在的領(lǐng)域成為一個(gè)令所有同行尊重甚至敬仰的天文學(xué)家。

但卡洛琳在1993年的春天遇到了一個(gè)困難：那個(gè)春天很潮濕。水氣是天文觀測(cè)的大敵。整個(gè)一月，只有一個(gè)夜晚適合于觀測(cè)；整個(gè)二月，只有一個(gè)小時(shí)適合觀測(cè)[9]。

但，很快，卡洛琳迎來了自己一生的高光時(shí)刻。

1993年3月24日，卡洛琳在掃描0.46米施密特望遠(yuǎn)鏡拍攝的圖像時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一顆彗星，她立即與尤金、列維以及其他合作者分析了圖像。然后，他們被這顆彗星的形狀驚呆了：它是棒狀的。他們甚至一開始都不知道這是什么。

在確定這確實(shí)是一顆有史以來最奇怪的彗星之后，卡洛琳、尤金、列維與合作者于兩天后對(duì)外公布了這個(gè)發(fā)現(xiàn)[10]，他們?cè)趫?bào)告中還特意提到：這顆彗星距離木星僅大約4度，很接近木星。

這是卡洛琳發(fā)現(xiàn)的32顆彗星（也是最后一顆），尤金發(fā)現(xiàn)的29顆彗星。

這顆彗星就是舉世聞名的“蘇梅克-列維9號(hào)彗星” (Comet Shoemaker–Levy 9) 。很多人以為這是卡洛琳、尤金與列維三人共同發(fā)現(xiàn)的第9顆彗星，但實(shí)際上這是它們共同發(fā)現(xiàn)的第11顆彗星。這是怎么回事呢？

根據(jù)當(dāng)時(shí)的分類標(biāo)準(zhǔn)，如果一顆彗星繞太陽轉(zhuǎn)一圈的周期小于200年，就被稱為“周期性彗星”；反之，就是“非周期性彗星”。這顆彗星雖然是他們共同發(fā)現(xiàn)的第11顆彗星，但卻是其中的第9顆周期性彗星，所以被編號(hào)為“蘇梅克-列維9號(hào)彗星”。

其他天文學(xué)家利用更大得多的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了后續(xù)觀測(cè)，得到了更驚人的結(jié)果：這顆棒狀的彗星有21個(gè)核心。它們可能是一個(gè)核心被撕碎后形成的。此后，天文學(xué)家利用計(jì)算機(jī)模擬，發(fā)現(xiàn)：這顆彗星在1992年7月8日就已被木星的引力撕碎為21個(gè)碎塊。

它當(dāng)時(shí)與木星的距離比木衛(wèi)十六 (Metis) 與木星的距離更小，而木衛(wèi)十六是木星所有衛(wèi)星中最靠近木星的。事實(shí)上，這顆彗星已經(jīng)進(jìn)入了所謂的“洛希極限”，因此才被木星的“潮汐引力”撕裂為21個(gè)碎塊。

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圖：哈勃的WFPC2拍攝的木星與蘇梅克-列維9號(hào)彗星的可見光合成圖。圖中，彗星被木星引力撕碎后成為21個(gè)碎片，像一串珍珠一樣灑落太空。來源：[11]

更刺激的還在后面：計(jì)算表明這顆彗星的碎片將于1994年7月16日開始陸續(xù)撞向木星。這個(gè)結(jié)果不僅讓天文學(xué)家無比興奮，也大大激起了全世界大眾的強(qiáng)烈興趣，“彗木相撞” (comet collide with Jupiter) 很快成為世界上各大媒體的頭條。

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圖：哈勃望遠(yuǎn)鏡科學(xué)家Heidi Hammel (左) 在1994年7月16日的一次新聞發(fā)布會(huì)向媒體解釋彗木相撞。坐著的從左到右為卡洛琳·蘇梅克、大衛(wèi)·列維與尤金·蘇梅克。來源：[12]

1994年7月16日20時(shí)15分，蘇梅克-列維9號(hào)彗星的第一個(gè)碎塊撞向木星的南半球，進(jìn)入木星大氣，速度達(dá)到每小時(shí)21萬公里。此后直到22日，所有碎塊陸續(xù)撞擊木星。在這些碎片中，碎片G的撞擊能量最大，造成的痕跡的長度比地球的直徑還長。這是人類首次成功預(yù)測(cè)并跟蹤到天體碰撞事件。

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圖：蘇梅克-列維9號(hào)彗星的碎片先后撞擊木星之后形成的斑點(diǎn)。此圖由哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的WFPC2的紫外相機(jī)拍攝。圖中上方黑圓點(diǎn)為陽光被木衛(wèi)一 (Io) 遮擋后在木星上形成的投影。來源：[13]

這次轟動(dòng)全球的天文大事讓卡洛琳·蘇梅克、尤金·蘇梅克與合作者大衛(wèi)·列維在媒體與大眾中一戰(zhàn)成名。

卡洛琳在圈內(nèi)的地位更是進(jìn)一步提高。1995年，她與丈夫一起獲得“年度科學(xué)家獎(jiǎng)”；1996年，卡洛琳被北亞利桑那大學(xué)授予榮譽(yù)博士學(xué)位，并獲得NASA的“杰出科學(xué)家成就”獎(jiǎng)?wù)?sup>[1]。

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圖：哈勃的WFPC2拍攝到8個(gè)撞擊區(qū)域，最小的跨度不到200千米。這些被撞擊的區(qū)域快速演化。來源：[14]

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圖：蘇梅克-列維9號(hào)彗星的D碎片與G碎片撞擊木星后留下的巨大斑點(diǎn)，其中G斑點(diǎn)的直徑比地球的直徑更大。來源：[15]

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永不消逝的卡洛琳4446

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卡洛琳的成功離不開尤金的大力幫助，而卡洛琳也反過來幫助尤金成為一個(gè)彗星獵手。二者始終互相幫助，互相鼓勵(lì)對(duì)方。

不幸的是，1997年7月18日，卡洛琳與尤金在澳大利亞考察隕石坑的路上遭遇嚴(yán)重的車禍，尤金當(dāng)場死亡，卡洛琳身受重傷。

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圖：尤金·蘇梅克。來源：[16]

在康復(fù)之后，卡洛琳繼續(xù)在洛威爾天文臺(tái)與列維合作，一直持續(xù)到2002年。截至那一年，卡洛琳獨(dú)自發(fā)現(xiàn)與共同發(fā)現(xiàn)了32顆彗星與500多顆小行星，其中有377顆小行星獲得編號(hào)。

為了致敬她，她在洛威爾天文臺(tái)的同事愛德華·波威爾 (Edward Bowell) 將自己在1985年發(fā)現(xiàn)的小行星命名為“卡洛琳4446” (4446 Carolyn) 。

現(xiàn)在，卡洛琳雖然也已逝世，但卡洛琳4446卻依舊在太陽系內(nèi)繞著太陽默默運(yùn)動(dòng)，永不消逝。

參考文獻(xiàn)：（可向下滑動(dòng)查看所有文獻(xiàn)）

[1] Wikipedia:Carolyn S. Shoemaker, (https://en./wiki/Carolyn_S._Shoemaker)

[2] Wikipedia:Jean-Louis Pons (https://en./wiki/Jean-Louis_Pons)

[3] Wikipedia:David H. Levy (https://en./wiki/David_H._Levy)

[4] Brian Marsden, Eugene Shoemaker (https://www2.jpl./sl9/news81.html) Wikipedia:Eugene Merle Shoemaker (https://en./wiki/Eugene_Merle_Shoemaker)

[5] Chapman, Mary G. (May 17, 2002). “Carolyn Shoemaker”. Astrogeology Science Center. USGS. Archived from the original on November 11, 2017. (https://astrogeology./people/carolyn-shoemaker)

[6] Wikipedia:Lowell Observatory (https://en./wiki/Lowell_Observatory)

[7] About Palomar Observatory (https://sites.astro./palomar/about/)

[8] Wikipedia:Schelte J. Bus, (https://en./wiki/Schelte_J._Bus)

[9] Mestel, Rosie (July 9, 1994).  “Carolyn Shoemaker and 'Her Comet'”. New Scientist. 143 (1933). p. 23. (http://www./esp_shoemaker_a.htm)

[10] Shoemaker, C. S., et al. IAUC 5725: 1993e  (http://www.cbat.eps./iauc/05700/05725.html#Item1)

[11] https:///images/opo9426a/ 

[12] Levy, David H. (July 16, 2014). “Comet Shoemaker-Levy 9: 20 years later”. Sky & Telescope. (https:///astronomy-news/comet-shoemaker-levy-9-20-years-later-07162014/)

[13] https:///images/opo9435a/

[14] https:///images/opo9434a/

[15] https:///images/opo9433a/

[16] Wikipedia: Eugene Merle Shoemaker (https://en./wiki/Eugene_Merle_Shoemaker)


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文章作者
王善欽，2018年于南京大學(xué)獲得天文學(xué)博士學(xué)位，2016年至2018年訪問加州大學(xué)伯克利分校天文系。主要研究超新星、千新星等爆發(fā)現(xiàn)象，至今為止在ApJ, MNRAS上發(fā)表23篇科研論文。業(yè)余也研究天文學(xué)史與物理學(xué)史。

王善欽專欄鏈接：
https://www./category/singlecolumn/60

編輯：王茹茹

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